传感器总结文字概念部分.docx
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传感器总结文字概念部分
绪论
传感器定义
传感器是一种以一定精度把被测量转化为与之具有确定对应关系的便于应用的某种物理量的测量装置。
第一章测试的基础知识
测量、计量和测试
测量是以确定被测对象的量值为目的的全部操作。
如果测量的目的是实现测量单位统一和量值准确传递，则这种测量被称为计量。
测试则是具有实验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。
测试方法的分类
直接测量和间接测量
按是否直接测定被测量的原则分类，可分为直接测量法和间接测量法。
直接测量法使之被测量直接与测量单位进行比较，或者用预先标定好的测量仪器或测试设备进行测量，而不需要对所获取数值进行运算的测量方法。
间接测量法是通过测量与被测量有函数关系的其他量，来得到被测量量值的测量方法。
接触式测量与非接触式测量
按测量时是否与被测对象接触的原则，可分为接触是测量和非接触式测量。
接触是测量往往比较简单，而非接触是测量可以避免对被测对象的运行工况及其特性的影响，也可以避免测试设备受到磨损。
动态测量与静态测量
按被测量是否随时间变化的原则，分为静态测量和动态测量。
需要注意的是，这里的“静态”和“动态”专指被测量是否随时间变化，而不是之被测量对象是否处于静止或运动中。
测试系统的组成
激励装置被测对象传感器信号调理信号分析与处理显示、记录
测量误差的分类
系统误差
系统误差的来源包括测量设备的基本误差、测量理论的方法不完善、读数方法不正确以及环境误差等。
随机误差
产生随机误差的原因很复杂，如测量环境中温度、湿度、气压、振动、电场等的微小变化。
粗大误差
粗大误差一般是由于操作人员粗心大意或操作不当或不可控制的环境因素影响等造成的误差，如读错数值、使用有缺陷的测量仪表等。
测量不确定度
测量不确定度是误差理论发展和完善的产物，是建立在概率论和统计学基础上的新概念。
它表示由于测量误差的影响而对测量结果的不可信程度或不能肯定的程度。
粗大误差的判别和剔除
拉伊达法则（3σ准则）
当测量数据呈正态分布时，误差大于3σ的概率仅为0.0027，为小概率事件；若测量次数为有限次，测量误差（通常用残差表示）大于3σ即可判定该测量数据含有粗大误差，应予以剔除。
该准则简单实用，但不适合于测量次数n≤10的情况，因为当n≤10时，残差总是小于3σ。
测量数据的表述方法：
表格法、图示法、经验公式法。
第二章信号分析基础
信号的分类
简谐周期信号x（t）=sin（wt）
周期信号
复杂周期信号x（t）=sin（wt）+sin（2wt）
确定性信号
准周期信号x（t）=sin（wt）+sin（πwt）
非周期信号
瞬态信号
各态历经随机信号
平稳随机信号
随机信号非各态历经随机信号
信号非平稳随机型号仅作了解
连续信号
离散信号
能量信号
功率信号
各种信号定义：
确定性信号
确定性信号是指可以用精确的数学关系式来表达的信号。
给定一个时间值就可以得到一个确定的函数值。
随机信号
随机信号不是一个确定的时间函数，不能用精确的数学关系式来表达，也无法确切的预测未来任何瞬间的数值。
它描述的物理现象是一个随机过程，例如汽车行驶时产生的震动、环境噪声，切削材质不均匀的工件时所产生的切削力等都属于随机信号。
连续信号
在一定时间间隔内，对任意时间值，除若干个不连续点（第一类间断点）外，都可给出确定的函数值，即时间变量t是连续的，此类信号称为连续信号。
连续信号的幅值可以是连续的，也可以是离散的，若时间变量和复制均为连续的信号称为模拟信号。
离散信号
在一定的时间间隔内，只在时间轴的某些离散点给出函数值，此类信号称为离散信号。
离散信号又可分为两种：
时间离散而幅值连续的信号称为抽样信号；时间离散且幅值离散（量化）的信号称为数字信号。
能量信号和功率信号
若不考虑信号实际的量纲，则把信号x（t）的平方x2（t）及其对时间的积分分别称为信号的功率和能量。
信号的描述
时间域
以时间作为自变量的信号表达，称为信号的时域描述。
频率域
以信号的频率作为自变量的信号表达，称为信号的频域描述。
幅值域
信号的幅值域描述事宜信号幅值为自变量的信号表达方式，它反映了信号中不同强度幅值的分布情况，常用于随机信号的统计分析。
时延域
以时间和频率的联合函数同时描述信号在不同时间和频率的能量密度或强度，称为信号的时延描述。
傅里叶级数与周期信号的分解
周期信号是由一个常值分量a0和无穷多个不同频率的谐波分量叠加而成的。
周期信号的频谱具有如下特点：
离散性
周期信号的频谱是由不连续的谱线组成，每条谱线代表一个谐波分量。
谐波性
频谱中每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是各分量频率的公约数。
收敛性
各频率分量的谱线高度表示各次谐波分量的幅值或相位角。
工程上常见的周期信号的谐波幅值总的趋势是随着谐波次数的增高而减小的。
周期信号的强度描述
周期信号的频谱是离散的，其强度可以用峰值、绝对均值、有效值和平均功率来表达。
准周期信号具有离散频谱，例如多个独立激振源激励起某对象的震动往往是这类信号。
非周期信号的频谱是连续的，它是由无限多个、频率无限接近的分量所组成。
第三章测试系统的特性
特性定义：
是指被测信号的输入与输出之间的关系。
线性时不变系统具有以下主要特性：
叠加特性
叠加特性指同时加在测试系统的几个输入量之和所引起的输出，等于几个输入量分别作用是所产生的输出量叠加的结果。
比例特性
比例特性指输入x（t）增大c倍（c为任意常数），那么输出等于输入为x（t）时对应的输出y（t）的c倍。
微分特性
微分特性指系统对输入微分的响应，等于对原输入响应的微分。
积分特性
积分特性指初始条件为零时，系统对输入积分的响应，等于对原输入响应的积分。
频率保持特性
频率保持特性指线性时不变系统的稳态输出信号的频率与输入信号的频率相同。
如果输出信号中出现与输入信号频率不同的分量，说明系统中存在着非线性环节（噪声等干扰）或者超出了系统的线性工作范围，应采用滤波等方法进行处理。
测试系统的传输特性
测试系统的传输特性表示系统的输入与输出之间的对应关系。
静态特性指标
灵敏度
灵敏度是指测试系统在静态测量时，输出增量△y与输入增量△x之比。
该灵敏度指标也成为系统的绝对灵敏度。
灵敏度反映了测试系统对输入量变化的反应能力，灵敏度得高低可以根据系统的测量范围、抗干扰能力来确定。
但是灵敏度也并不是越大越好。
通常灵敏度越高就越容易引入外界干扰和噪声，从而使稳定性变差，测量范围变窄。
线性度
实际特性曲线偏离拟合直线的程度就是线性度。
回程误差
回程误差也成为迟滞或滞后，它是描述测试系统的输出和输入变化方向有关的特性。
在相同的测试条件下，当输入量由小到大（正行程）和由大到小（反行程）时，对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在差值，在全部测量范围内，这个差值的最大值hmax与标称满量程输入A的比值称为回程误差。
重复性
在测试条件不变的情况下，测试系统按同一方向做全量程的多次重复测量时，静态特性曲线不一致。
重复性表征了系统的随机误差的大小。
精度（了解）
精度即精确度，亦称准确度，表征测试系统的测量结果与被测量真值的符合程度，反映了测试系统中系统误差和随机误差的综合影响。
稳定性和漂移（了解）
稳定性是指在一定的工作条件下，保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度等的变化而出现缓慢变化的程度，也成为漂移，通常用输入量的变化表示。
稳定性包含稳定度和环境影响两个方面。
通常将输入量为零时测试系统输出值的漂移称为零漂。
分辨力（率）（了解）
分辨力是指系统可能检测到的输入信号的最小变化量，分辨力除以满量程称为分辨率。
可靠性（记忆）
可靠性是反映测试系统在规定的条件和规定的时间内保持其运行指标不超限的一种综合性的质量指标。
动态特性的数学描述
微分方程与传递函数对应的是拉氏变换和拉氏逆变换，频率响应函数对应的是傅里叶变换，脉冲响应函数和阶跃响应函数对应的是拉氏变换。
时间常数τ决定着一阶系统适用的频率范围，其值是越小越好。
τ越小，系统的响应速度就越快。
实现系统不失真测试的条件
所谓不是真测试就是指系统输出信号的波形与输入信号的波形完全相似的测试。
如果输出y（t）与输入x（t）满足y（t）=kx（t），表明输出信号仅仅是幅值上放大了k倍，输出无滞后，波形相似。
如果输出y（t）与输入x（t）满足y（t）=kx（t-t0），表明输出信号除幅值放大k倍外，时间上有一定的滞后，波形仍然相似。
由此可得频率响应函数的幅频特性及相频特性，即其不失真测量的条件，即：
A（ω）=k
ψ（ω）=-ωt0
第四章传感器技术概论
传感器定义
传感器是一种以一定精度把被测量转换为与之具有确定对应关系的便于应用的某种物理量的测量装置。
传感器的基本功能和组成
传感器的基本功能是检测信号和信号转换。
按其定义一般由敏感元件、变换原件、信号调理电路三部分组成，有时还需要加辅助电源提供转换能量。
传感器的分类
按被测量分类
机械量：
位移、力、速度、加速度……
热工量：
温度、热量、流量（速）、压力（差）、液位……
物性参量：
浓度、粘度、比重、酸碱度……
状态参量：
裂纹、缺陷、渗漏、磨损……
按测量原理分类
按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤式、磁敏式、激光、超声波等传感器。
按信号变换特性分类
结构型：
主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。
例如电容式传感器依靠极板间距的变化引起电容量的改变。
物性型：
利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换。
例如水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象测量温度，压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量等。
按能量关系分类
能量转换型：
传感器直接由被测对象输入能量使其工作。
例如热电偶、光电池等。
这种类型传感器也成为有源传感器。
能量控制型：
传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。
例如电阻式、电感式等传感器。
这种类型的传感器必须由外部提供激励源（电源等），因此也成为无源传感器。
除上述方法外，还可以按照输出量分为模拟式传感器和数字式传感器，按照测量方式分为接触式传感器和非接触式传感器等等。
第五章电阻应变式传感器
电阻应变式传感器的工作原理：
电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。
当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。
这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。
电阻应变式传感器的主要优点：
1.由于电阻应变片尺寸小、重量轻、因而具有良好的动态特性；而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响，适用于静态和动态测量；
2.测量应变的灵敏度和精度高，可测量1~2um应变，误差小于1%～2%；
3.测量范围上，即可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从1%～20%
4.能适应各种环境，可在高（低）温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。
电阻应变式传感器缺点是输出信号微弱，在大应变状态下具有较明显的非线性等。
电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它将试件的应变变化转换成电阻的变化。
电阻式应变片的工作原理
电阻应变片的工作原理是基于导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。
电阻应变效应是指电阻材料的电阻值随机械变形而变化的物理现象；压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻发生变化的物理现象。
电阻丝的灵敏度系数：
灵敏度系数物理意义为单位应变所引起的电阻相对变化。
显然，对于金属材料，S0=1+2u，通常为1.8～3.6；对于半导体材料，S0=πLE，通常在100以上，可见半导体材料的灵敏度远远高于金属材料的灵敏度。
电阻应变片的横向效应：
由于栅状电阻丝的横向绕制部分感受被测点的横向应变，因此电阻丝总的电阻变化将会受到横向变形的影响，这种现象称为应变片的横向效应。
由于横向系数C的作用，在测量纵向应变时，圆弧部分产生了一个负的电阻变化，从而降低了应变片的灵敏度系数。
横向效应是一种坏的效应，它降低了电阻应变片的灵敏度系数。
电阻的变化一般采用电桥电路测量。
电桥的分类：
根据供桥电压的性质，测量电桥可分为直流电桥和交流电桥；按照测量方式的不同，测量电桥又可分为平衡电桥和不平衡电桥。
电桥平衡的条件：
平衡电桥应满足相对桥臂阻值的乘积相等，即R1R3=R2R4
电桥的输出电压U0与各桥臂电阻变化近似为线性关系，即把电阻变化转换成电压信号。
实际工作中，一般根据电桥参与变化的桥臂数目分为半桥式和全桥式联接。
电桥的工作特性
不同的接桥方式具有不同的灵敏度，适当提高电源电压可提高灵敏度。
电桥的和差特性
若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉力应变或同为压应变时，则输出电压与相邻桥臂两应变之差成正比，反之，则与相邻桥臂两应变之和成正比。
若相对两桥臂的应变极性一致，则输出电压与相对桥臂两应变之和成正比，反之，则与相对桥臂两应变之差成正比。
这就是电桥的和差特性，该特性具有极其重要的实际意义：
（a）提高灵敏度
（b）实现温度补偿
（c）消除非测量载荷的影响
电阻应变式传感器的应用：
电阻应变片除了能直接用于测量试件的应力、应变外，还可以和弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式传感器，用来测量力、压力、扭矩、加速度等物理量。
第六章电感式传感器
电感式传感器的定义：
电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感量或互感量变化的一种装置，它用来测量位移、振动、压力、流量、比重等物理参数。
电感式传感器按工作原理可分为自感式、互感式和电涡流式三种。
改变气息长度，或者改变导磁面积，可以改变传感器的电感。
也是电感式传感器的两种工作形式。
差动式自感传感器：
采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度，对电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用。
交流电桥的平衡条件：
交流电桥采用交流激励电压，四个桥臂可以是电阻、电容或电感，因而可以用来测量电阻、电容和电感。
如果阻抗用复数白哦是，则关于直流电桥的平衡关系式也适用于交流电桥，即电桥平衡时必须满足z1z3=z2z4。
上式表明：
交流电桥平衡必须满足两个条件：
相对桥臂阻抗之模的乘积应相等，并且他们的阻抗角之和也必须相等。
因此。
当两个相邻桥臂是相同性质的阻抗时，则另外另个桥臂的性质也必须相同。
因此，交流电桥必须同时调节幅值和相角两个参数。
调制与解调的定义，调制的分类，调频、调幅、调相
调制信号调制器已调波交流放大器放大信号解调器调制信号
载波
振荡器
调制是利用某种低频信号来控制或改变高频振荡信号的某个参数幅值、频率或相位的过程。
根据被控制量可分为调频、调幅、调相，称高频信号为载波，控制高频振荡的低频信号为调制信号，调制后的高频振荡信号为已调制信号。
解调是指已调制信号恢复原低频调制信号的过程。
互感式电感传感器：
互感式电感传感器是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的变化。
由于它的两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。
互感式电感传感器（差动变压器）的工作原理
实质上就是一个变压器，其一次线圈接入稳定交流电源，二次线圈感应产生输出电压，当被测参数互感M变化时，二次侧线圈输出电压也产生相应的变化。
电涡流式传感器：
根据电磁感应原则，当金属导体置于变化着的从机场中或在磁场中做切割磁力线运动时，导体内就会产生成涡旋状的感应电流，这一现象称为电涡流效应。
电涡流式传感器能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等，进行非接触式连续测量，而且还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点。
电涡流式传感器的工作原理：
把一个半径为r的扁平线圈放置在金属导体附近，线圈中通入频率为f的交变电流，i1，在线圈的周围空间便产生一个交变磁场H1，H1在金属导体表面感应产生涡电流i2
电涡流式传感器的特点：
根据电涡流式传感器的简化模型，可以得出一下结论：
1.金属导体上形成的涡流有一定的范围，当线圈与导体间的距离x不变时，电涡流密度随着线圈外径D的大小而变化。
2.涡流强度随着距离x的增大而迅速减小，涡流强度i2/i1与距离x呈非线性关系，当距离x大于线圈外半径R时，产生的涡流强度已很微弱。
3.电涡流不仅沿导体径向分布不均匀，导体内产生的涡流由于趋肤效应，贯穿金属导体的深度有限。
第七章电容式传感器
电容式传感器定义：
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，通过电容传感元件将被测量转变成电容量的变化
电容式传感器的工作原理与特性：
电容式传感器实际上是一个具有可变参量的电容器。
根据电容变化参数，可分为极距变化型、面积变化性和介电常数变化型三类。
在实际应用中，极距变化型和面积变化型的应用较为广泛。
两种传感器的优缺点：
极距变化型的优点是灵敏度高，可进行非接触式测量，对被测量影响小，适用于微小位移的测量；其缺点是具有非线性特性，因此测量范围受到一定限制，另外传感器的寄生电容也对测量精度有影响。
面积变化型的优点是输出与输入呈线性关系，但灵敏度较低，适用于测量较大的直线位移和角位移。
介电常数变化型：
介电常数变化型电容传感器是在两极板间加上介质构成的。
由于各种介质的介电常数不同，当极板间的介电常数或液面位置变化时电容量随之改变。
常用于检测容器中液面的高度、溶液浓度和某些材料的厚度、温度、湿度等。
第八章压电式传感器
压电式传感器的工作原理：
压电式传感器的工作原理是基于某些晶体材料的压电效应，它是一种无源传感器，又叫自发电式和机电转换式传感器。
压电效应可分为正向压电效应和负向压电效应。
正向压电效应是指当晶体受到某固定方向外力的作用时，相应的在一定的晶体表面上会产生电荷。
晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
压电式传感器大多是利用正向压电效应制成的。
逆向压电效应是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时，相应的在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，又称电致伸缩效应。
具有压电效应的电介质叫做压电材料，常见的压电材料有石英（SiO2）晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料的分类：
压电材料可分为三类：
压电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料。
压电式传感器的测量电路：
压电式传感器只有在负载阻抗无穷大、内部也无漏电时，受力后产生的电压（电荷）才能长期保存下来，如果负载阻抗不是无穷大，则电路就要以时间常数（Ra+Ri）（Ca+Cc+Ci）按指数规律放电，从而造成测量误差。
而在动态测量时，电荷量可以不断得到补充，故压电式传感器适宜于动态测量。
压电式传感器的应用：
压电式传感器常用来测量力和加速度等，也用于声学（包括超声）和声发射等测量。
第九章磁敏式传感器
磁敏式传感器的定义：
磁敏式传感器是通过磁电作用将磁信号转换成电信号的传感器。
霍尔效应的表述：
固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。
这一现象便是霍尔效应。
这个电势差也被叫做霍尔电势差。
霍尔效应的产生是由于运动的载流子（电子）受磁场（洛伦兹力）作用的结果。
第一十章光电式传感器
光电式传感器的定义及原理：
光电式传感器是将光信号转换成电量的一种变换器，光电式传感器工作的理论基础是光电效应。
所谓光电效应是指由于物体吸收了能量为E的光子后产生的电效应。
光电效应的分类：
外光电效应
在光线作用下，使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，或称为光电发射效应。
基于外光电效应的光电元件有：
光电管、光电倍增管等。
内光电效应
在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应，或称为光电导效应。
基于这种效应的元件有光敏电阻等。
光生伏特效应
光照射半导体PN结后，能使PN结产生电动势，或使PN结的光电流增加的现象称为光生伏特效应，或称为PN结的光电效应。
基于光生伏特效应的元件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。
光敏电阻结构原理：
光敏电阻又称为光导管，其工作原理是基于内光电效应。
由于内光电效应仅限于光线照射的表面层，所以光电半导体材料一般都做成薄片并封装在带有透明窗的外壳中。
光敏电阻没有记性，使用时在电阻两端加直流或交流电压，在光线的照射下可改变电路中电流的大小。
光敏电阻的基本特性：
光敏电阻在不受光照射时测得的阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流；受光照射时的阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。
亮电流与暗电流之差称为光电流。
第一十一章热电式传感器
热电式传感器概述：
热电式传感器是一种将温度变化转换为电流的装置。
它广泛应用于工业生产、家用电器、海洋气象、防灾报警、医疗仪器等领域。
常用的接触式热电传感器包括膨胀式温度计、热电阻温度计（金属电阻和热敏电阻）及热电偶等。
常用的非接触式传感器包括辐射温度计、红外测温仪等。
热电阻的原理及分类：
热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性测量温度的。
用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分别称为金属热电阻和热敏电阻。
热电效应：
由理论分析可知，热电势是由两个导体接点的接触电势和同一导体的温差电势组成的。
热电式传感器有以下结论：
1.如果热电偶的两个热电极材料相同，两节点的温度虽然不同，但总的热电式仍为零。
因此，热电偶必须由两种不同的材料构成；
2.如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极A、B的材料不同，回路中热电势仍然为零。
因此要产生热电势不但要求两个电极材料不同，而且两个接点必须有温度差。
3.热电势的大小仅与热电极材料的性质、两个接点的温度有关，与热电偶的尺寸及形状无关。
同样材料的热电极其温度与电势的关系是一样的，因此热电极相同的热电偶可以互换。
热电偶的冷端温度补偿：
冷端恒温法、补偿导线法、补偿电桥法。
第一十二章数字式传感器
莫尔条纹的特性：
1.莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应
2.莫尔条纹具有位移放大作用
3.莫尔条纹具有误差平均效应
4.莫尔条纹的间距B随光栅刻线夹角θ变化
第一十三章光纤传感器
光纤传感器的工作原理：
它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化的原理来工作的。
传光原理：
显然，为了能使传输中的光随光纤本身弯曲并能远距离传输而较少衰减，就必须使进入光纤的光在纤芯和包层的界面上产生全反射，全反射是光纤传光的基础。
当光线从光密物质（大折射率）射向光疏物质（小折射率），且入射角大于临界角时，光线产生全反射，反射光不再离开光密物质。
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